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区块链什么能防篡改?程序员一定要心中有”树“

作为高鸡攻城狮一定要心中有树,因为这个的确能提升底层认知。

希望每人都能够做到心中有树,面对面试高频问题,方能有的放矢。

01. 区块链中的树


体会一下:区块链上交易的篡改,会给区块带来什么影响?

如图是区块链中的一个区块,里面存放了一批已经完成的交易信息,为了方便处理,区块的交易信息组织成 Merkle 树的形式,区块的块头存储了前一区块的哈希值。

假设叶子节点上的交易 3 发生篡改,那么交易 3 对应的哈希值就会变动,变动就会逐级向上传递,直到相应的父节点,最终导致区块的的根哈希发生变化,进而会导致整个区块的哈希发生变化。

一句话:交易的篡改,导致整个区块的哈希变化。

由于交易 3 的篡改,导致交易 3 对应的整个区块的哈希发生变动,进而会引起下一个区块上记录的上一个区块的哈希就对不上了,那么是不是要考虑篡改后面的区块呀?但是区块后面的后面的区块也要篡改,子子孙孙无穷匮也。

一句话:交易的篡改,牵一发要动全身,需要篡改整个链条才可以生效,难度可想而知(区块链不可篡改的特性)。

感受一下:如何验证区块上的交易是否存在?

假如需要验证区块上是否真实存在交易 3,该怎么去验证?其实我们只需要“哈希 2”和“哈希 01”就可以证明啦,验证步骤如下。

Step 1:获取交易 3 的哈希值,哈希 3 = Hash(交易 3);

Step 2:通过哈希 2 和哈希 3,得到父节点的哈希值:哈希 23 = Hash(哈希 2 + 哈希 3);

Step 3:通过哈希 01 和哈希 23 的哈希值,得到根节点的哈希值:Root = Hash(哈希 01 + 哈希 23);

Step 4:将上一步得到的根哈希值 Root 与区块头中默克尔根哈希值对比,如果相同,则证明该区块中存在交易 3,否则说明不存在。

一句话:通过引入默克尔树,比特币采用少量计算及比较,就可以完成交易的验证。

思考一下:如何回收磁盘空间?

随着时间的推移,链越来越长,区块链的数据也逐日增长,数据量级越来越大,对存储肯定要求也越来越高。其实一旦最新交易已经被足够多的区块覆盖,这之前的支付交易就可以被丢弃,以便节省磁盘空间。

如上图所示,交易被哈希进默克尔树,只有根节点被纳入到区块的哈希值。那么老的区块可通过剪除树枝的方式被压缩,树枝内部的哈希不需要被保存,进而可以节省磁盘空间而又不破坏区块的哈希值(堪称设计完美)。

其实比特币的以上种种设计,背后都离不开默克尔树,那默克尔树到底是什么呢?

02. 掌握默克尔树


学习任何一门技术,都不要忘记谷哥和度娘,在谷歌输入“Merkle Tree”搜之,映入眼帘的就是维基百科的解释。

哈希树(hash tree;Merkle tree),在密码学计算机科学中是一种树形数据结构,每个叶节点均以数据块的哈希作为标签,而除了叶节点以外的节点则以其子节点标签的加密哈希作为标签 。哈希树能够高效、安全地验证大型数据结构的内容,是哈希链的推广形式。

哈希树的概念由瑞夫·墨克于 1979 年申请专利,故亦称墨克树(Merkle tree)。

通过搜索我们明白两点。

1. 原来 Merkle Tree 也叫做 Hash Tree(哈希树),因为 Merkle Tree 每个叶节点均以数据块的哈希作为标签,而除了叶节点以外的节点则以其子节点标签的加密哈希作为标签 ,所以又叫做哈希树;

2. Merkle Tree 在维基百科被翻译为墨克树,而在中本聪的论文中又被翻译成了默克尔树。其实到这一步,名字叫什么已经无所啦。

通过这个图我们明白两点。

1. 哈希树的顶部为顶部哈希(top hash),亦称根哈希(root hash)或主哈希(master hash);

2. Hash 0-0 和 Hash 0-1 分别是数据块 L1 和 L2 的哈希值,Hash 0 是将 Hash 0-0 和 Hash 0-1 连接后所取得的哈希值。

主要应用场景。

1. Merkle 树典型的应用场景是点对点网络下载。

先从朋友或者网站分享等方式获取可信的 Merkle 树的顶部哈希;拿到顶部哈希后,就可以通过 P2P 网络中的非受信来源下载整棵 Merkle 树;下载得到 Merkle 树后,就可以根据可信的顶部哈希对其进行校验,验证数据是否完整、是否遭受破坏;

2. Merkle 树可以被用来快速比较大量的数据,因为当两个 Merkle 树根相同时,则意味着所代表的数据必然相同;

3. 开篇中谈到的区块链场景。

03. 闲言碎语


默克尔树就分享到这儿,希望大家对默克尔树有个初步认识吧。

文中图片,大都来自于比特币的创始人中本聪的论文,中本聪的论文建议有时间读一读,毕竟是颠覆之作。

区块链 2.0 的代表技术以太坊 Ethereum(不是比特币的一个克隆,而是完完全全独立的一种设计和实现)建议有时间也了解了解。

比特币:https://github.com/bitcoin

中本聪论文:

https://bitcoin.org/files/bitcoin-paper/bitcoin_zh_cn.pdf

以太坊:https://github.com/ethereum

以太坊白皮书:

https://github.com/ethereum/wiki/wiki/White-Paper

 

最后,无论互联网寒冬有多冷,也请守住信仰,不要慌张。

posted on 2020-04-04 09:38  一猿小讲  阅读(...)  评论(...编辑  收藏